熱線式空氣流量計在便攜式尾氣分析儀中的應(yīng)用研究熱線式空氣流量計是測量空氣流量的一種重要工具，它起源于20世紀(jì)初，一直廣泛用于流體速度測量，并在60年代后曾一度成為流體測速領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。隨著近年來微電子技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，采用微結(jié)構(gòu)的熱線式傳感器的功耗大幅度降低，且以更快的熱動態(tài)響應(yīng)速度，使熱線式傳感器的研究和應(yīng)用又一次受到了重視。汽車發(fā)動機電控化的發(fā)展給熱線式空氣流量傳感器的應(yīng)用帶來了更廣泛的空間，它能直接測出空氣質(zhì)量流量且以測量準(zhǔn)確度高、動態(tài)響應(yīng)時間短等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在汽車發(fā)動機上。

　　1　熱線式空氣流量計構(gòu)成和基本原理

　　流量計的基本構(gòu)成包括感知空氣流量的白金熱線、根據(jù)進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正的溫度補償電阻（冷線）、控制熱線電流的控制電路以及殼體等。根據(jù)白金熱線在殼體內(nèi)安裝部位的不同，可分為安裝在空氣主通道內(nèi)的主流測量方式和安裝在空氣旁通道內(nèi)的旁通道測量方式。

　　熱線式空氣流量計是利用空氣流過熱金屬線時的冷卻效應(yīng)工作的。將一根鉑絲熱線置于進(jìn)氣空氣流中，當(dāng)恒定電流通過鉑絲使其加熱后，如果流過鉑絲周圍的空氣增加，金屬絲溫度就會降低。如果要使鉑絲的溫度保持恒定，就應(yīng)根據(jù)空氣量調(diào)節(jié)熱線的電流，空氣流量越大，需要的電流越大。圖1是主流測量方式的熱線式空氣流量計的結(jié)構(gòu)圖。其中R_H是直徑為0.03～0.05的細(xì)鉑絲（熱線），RK是作為溫度補償?shù)睦渚€電阻。R_A和R_B是精密線橋電阻。4個電阻共同組成一個惠斯登電橋。在實際工作中，代表空氣流量的加熱電流是通過電橋中的R_A轉(zhuǎn)換成電壓輸出的。當(dāng)空氣以恒定流量流過時，電源電壓使熱線保持在一定溫度，此時電橋保持平衡。當(dāng)有空氣流動時，由于RH的熱量被空氣吸收而變冷，其電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡。此時，放大器即增加通過鉑絲的電流，直到恢復(fù)原來的溫度和電阻值，使電橋重新平衡。由于電量的增加，R_A的電壓增加，這樣就在RA上得到了代表空氣流量的新的電壓輸出。

圖1　熱線式空氣流量計結(jié)構(gòu)圖

　　進(jìn)氣溫度的任何變化都會使電橋失去平衡。為此，在靠近熱線的空氣流中，設(shè)有一個補償電阻絲（冷線）。冷線補償電阻的溫度起一個參照值的作用。在工作中，放大器會使熱線溫度高出進(jìn)氣溫度100℃。熱線式空氣流量計長期使用，會使熱線上積累雜質(zhì)。為此，在熱線式流量計上采用了燒盡措施解決這個難題。每當(dāng)發(fā)動機熄火時，ECU自動接通空氣流量計殼體內(nèi)的電子電路，熱線被自動加熱，使其溫度在1s內(nèi)升高了1000℃。由于燒盡溫度必須是非常精確的，因此，在發(fā)動機熄火4s后，該電路才被接通。這種空氣流量計由于沒有運動部件，因此工作可靠，而且響應(yīng)特性較好；缺點是在空氣流速分布不均勻時誤差較大。

　　2　便攜式尾氣分析儀

　　2.1　工作原理

　　該分析儀將轉(zhuǎn)速測量單元中的霍耳傳感器的主體固定在摩托車前支架上，磁鐵放在摩托車的輪輞上，通過霍耳傳感器測量摩托車的車速，獲得的車輪轉(zhuǎn)速信號送信號轉(zhuǎn)換和處理單元。氣體流量測量單元實時獲取行駛中摩托車所排尾氣的流量并送信號轉(zhuǎn)換和處理單元。車輪轉(zhuǎn)速信號和氣體流量信號最終都在工業(yè)計算機主板上得到處理。氣體采樣單元將尾氣采集后經(jīng)粉塵過濾器、水分離器后送給氣體傳感器檢測，氣體傳感器獲取摩托車尾部所排廢氣成份的數(shù)據(jù)，并送信號轉(zhuǎn)換和處理單元。信號轉(zhuǎn)換和處理單元將獲得的數(shù)據(jù)信息輸送給工業(yè)計算機主板，經(jīng)工業(yè)計算機主板內(nèi)部存貯的工作程序最終處理，將相關(guān)信息送液晶屏顯示，測量結(jié)果通過微型打印機輸出。測量時的一些控制信息通過觸摸屏輸送給工業(yè)計算機主板。其原理如圖2所示。

圖2　儀器原理框圖

　　2.2　氣體流量測量

　　我們所采用的氣體流量計如圖3所示。

圖3　流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　在空氣通道內(nèi)放置熱線，由于其熱量被空氣吸收，熱線本身變冷。隨著熱線周圍的空氣質(zhì)量流量的增大，被帶走的熱量也將增加。熱線式空氣流量計就是利用熱線與空氣之間的這種熱傳遞進(jìn)行空氣質(zhì)量流量的測量。

　　2.3　流量傳感器的安裝

　　圖4是流量傳感器在測試摩托車上的安裝方式。

圖4　流量計的安裝

　　3　測量數(shù)據(jù)處理

　　熱線式空氣流量傳感器的輸出與空氣質(zhì)量流量之間是非線性關(guān)系，給測量和標(biāo)定帶來困難，有必要對熱線式空氣流量傳感器的輸出信號進(jìn)行處理。

　　處理方法：1）使用信號調(diào)理電路進(jìn)行線性化，可方便地得到線性輸出結(jié)果，但所使用的電路較復(fù)雜，調(diào)節(jié)和標(biāo)定困難，所以使用較少。2）首先使用標(biāo)準(zhǔn)流量計進(jìn)行精確標(biāo)定，并將結(jié)果進(jìn)行折線或多項式擬合，或制成表格儲存起來，測量時使用單片機或計算機根據(jù)擬合公式進(jìn)行計算或查表得到所測流量。

　　3.1　標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

　　我們使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計來自方正校準(zhǔn)機構(gòu)，作為校準(zhǔn)機構(gòu)其設(shè)備精度極高。下面是我們標(biāo)定用的實驗數(shù)據(jù)（標(biāo)況下的輸出電壓及氣體體積流量）并繪制圖5。

　?。?.02，0.000）、（1.16，3.358）、（1.28，5.443）
　?。?.49，8.829）、（1.71，12.182）、（1.96，17.612）
　?。?.21，24.437）、（2.45，30.666）、（2.65，36.050）
　?。?.83，42.736）、（3.11，49.420）、（3.40，57.985）
　?。?.68，65.111）、（3.89，68.326）、（4.14，76.727）

圖5　流量計標(biāo)定輸出電壓和體積流量的關(guān)系

　　通過使用最小二乘法擬合7次多項式，可獲得精確的電壓與流量間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

　　通過C語言編制程序計算出：

　　再將以上數(shù)據(jù)代入VB6.0編寫的分析儀軟件程序，通過測試界面（圖6所示）顯示出當(dāng)前氣體流量。

圖6　工況法測試界面

　　3.2　測量實驗數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量的比較

　　表1是測量實驗數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量示值，其比較曲線如圖7所示。

圖7　實驗數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量的比較

　　4　結(jié)論

　　1）在作通用流量計時，應(yīng)在流量計的量程范圍內(nèi)作線性化處理。

　　2）為了更好地把握流量計的精度，在標(biāo)定時一定要多取數(shù)據(jù)，特別是要密集型數(shù)據(jù)采集。熱線式傳感器由于它具有測量重復(fù)性好、測量范圍寬、響應(yīng)速度快、體積小、價格低、設(shè)備簡單等優(yōu)點，適合于各種環(huán)境下氣體流量的測量，特別是在發(fā)動機電控系統(tǒng)中，它作為進(jìn)氣量測量傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。

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